Badanie przyczyn powstawania pożarów. Samozapalenie materiałów roślinnych

Andrzej Dworakowski

doktorantinżynierii środowiskawGłównymInstytucieGórnictwaw Katowicach,biegłysądowyw dziedziniepożarnictwa dworakowskiandrzcj@wp.pl

Badanie

przy

czyn

powstawania

pożarów.

Samozapalenie

m

ateriałów

roślinnych

S

treszczenie

W artykule opisany został proces samozapalenia materiału roślinnego , podzielony na poszczególne fazy jego rozwoju. Zagadnieniesamozapaleń materiałów rośli n nych pokazano w ogólnym zarysie, w występu­ jącym procesie biologiczno-chemicznym. Celemartykułu jest wskazanie istotnych szczegółów w badaniu składowanego materiału oraz pogorzeliska. Przeprowadzone badania pokazują i przybliżają mało znaną

problematykęprocesu spalaniaiokreślająogólnewzorcebadawcze.

Informacje zawartew artykulepozwolą ustalić, do której fazy możnazal iczyćskładowany materiałroślin­ ny iocenićw prosty sposób, czywystępujejuż jakieś zag rożenie, atakże opracować formyzabezpieczeń

przeciwpożarowych składowanych materiałów roślinnych, co może uchronić przed utratą mienia o dużej

wartości.

Samozapaleniamateriałóworganicznychzdarzają sięisązasadniczym czynnikiempowstawaniapożarów

na terenach wiejskich.

Coraz lepsze(szczelne)wykonanie budynków magazynowych,tj.brakodpowiedniejwentylacjiskładowa­

negomateriału,skutkuje tym,żenie ma odpowiedniegochłodzeniaiosuszania.Materiał ułożonywdużych

ilościach(kilkumetrowych pryzmach) niechłodzisięimadużąwilgotność.Tak zmagazynowanymateriałjest

narażonyna powstanieprocesu samozapalenia.

Słowakluczoweprzyczynypowstawaniapożarów, samozapaleniemateriałów roślinnych

Wstęp

Wiele lat prowadzeniabadań wyn ikającychzoględzi n

popożarowych związanych z materiałem roślinnym

oraz laboratoryjnymi pracami badawczymi pokazało, że często specjal iści zajmujący się problematyką ba-daniaprzyczynpowstaniapożarówniepotrafiąw spo-sób prawidłowy rozpoznać zjawiska samozapalenia. Często zaliczanejest onodo zapaleń powstałych na skutek celowego działania człowieka - podpalenia. Dotakiego sposobu jego charakteryzowaniaprzyczy -nia się na pewnobrakpublikacjiorazbadań nad tym procesem. Jest to także związane z przygotowaniem zawodowym biegłych ibrakiemwiedzy zzakresu ter-modynamiki,chemii, fizyki czybiologii.

Poznanie procesów biologiczno-chemicznych za-chodzących samoistnie w sytuacji, w której materiał

biologiczny (rośl i n ny) jest niewłaściwie składowany lub nie nadaje się do magazynowania (ma zbyt dużą

zawartość wilgoci), pozwala zrozumieć i prawidłowo

44

rozpoznawać zjawisko samozapalenia. Na pod-stawie wieloletniej obserwacji oraz prowadzonych badań laboratoryjnych z użyciem specjalistycznego sprzętu do chromatografii gazowej można z dużym

prawdopodobieństwem wywnioskować, że

materia-ły roś li n ne są narażon e w dużym stop niu naproces samozapalenia.

Samoza paleniaroślinne

Zjawisko egzotermiczne polegające na wytwarzaniu ikumulowaniusiędużej ilości ciepłapodczas procesu biologiczno-chemicznego lub chemicznegopowoduje samonagrzewanie zmagazynowanych materiałów

stałychlub cieczy bez pobieraniaciepłazinnegoźró­ dła do chwili,w której materiałyosiągną temperaturę zapalenia,czylizapalą sięsamorzutniepłomieniem.

ZPRAKTYK I

Faza pierwsza

Fazy procesusamozapaleniabiochem icznego

CH_3CH₂₀H+ 02--->CH_3COOH+ H₂0 + 117kcal Wydzielanie się ciepła przy całkowitej fermentacji cząsteczkicukru (heksozy):

C₆H₁₂₀₆ + 602--->6H₂₀+674 kcal/mol Kilokaloria to ilość (strumień) energii cieplnej po-trzebnej do podniesienia temperaturymasy1kg wody o 1°C,dokładn iez14,5do 15,5°C.

Bardzo duży wpływ na proces oddychania mają enzymy jako katalizatory reakcji chemicznych. To

Spiry/lum, 8acillus, Micrococcus, Scarina oraz Ameby, Skąposzczety, Wymoczki i Wrotki, a także drożdże: Rhotodorula,Aspergillus,Mucom,Rhizopus, Oematium, Turulopsis,Cladosporium.

Zachodzące w środowisku naturalnym procesy biochemiczne umożliwiają obieg składników takich jak: węgiel, tlen, potas, siarka , magnez, fosfor, dwu-tlenek węgla, azot, woda, a także takich związków tych skład n i kówjak: fosforany,azotany i wieleinnych. W czasie ichtrwanianastępujewydzielaniesię dużych ilości ciepła(egzotermia).

Wzależn ościod temperatury środowiska, w którym występują, bakterie i ich aktywność możn a podzielić na:

-12-18°C - 25- 40°C - 55-65°C.

- bakteriepsychrofilne - bakterie mezofilne - bakterie termofil ne

W pierwszej fazie procesu prowadzącego do samo-zapalenia występuje szybki rozwój bakterii, grzybów idrożdży. Mająmiejsce wzmożonyproces oddychania ipobieranietlenu.Długośćprocesu oddychaniazal eży od składu materiału roślinnego , im więcej w nim gr u-bych łodyg iliści, którezawierająduże ilościwody,tym dłużej trwa . Oddychanie roślin jest odwróco nym p ro-cesem fotosyntezy,podczas oddychaniapobieranesą produkty fotosyntezy. Szybkość procesu oddychania jest taka sama podczas przebiegu fotosyntezy oraz wtedy, gdy ten proces nie odbywa si ę. Oddychanie odbywa się w komór kach zielonych rośli n oraz we wszystkich żywych komórkach innych organizmów. W czas ieoddychania pobierane sątlenorazinne sub -sta ncje organiczne, np.glukoza. Przy rozszczepianiu glukozy wydzielasię energ ia cieplna. Podczas rozs z-czepiania 1 g glukozy wydzielają się ok.4 kcal(3,74) energii.

Przykład wydzielania się ciepła przy fermentacji alkoholowejcząsteczkigluko zy:

C6H1206--->2CH3CH20H+ 2C02+ 28 kcal

Wydzielan ie się ciepła przy utlenianiu alkoholu do kwasu:

Na powstawanie samozapalenia mają wpływ nas tę-pująceczynniki:

- temperatura - wilgotność - ciśnienie

- biologiczno-chemicznewłaściwości materiałów - ilośćdostarczonego tlenu

- katalizatory

- zdolność do utleniania.

Ogólnie samozapalenia różnych materiałówmożna podzielić na biologiczno-chemiczne i chemiczne oraz w zal eżn ości od występowania czasowego - ene rge-tyczne (bardzo szybkie, dynamiczne) i postępujące czasowo (powolne).

Najbardziej znane materi ały ulegające samo za-paleniu biologiczno-chemicznemu to: siano, słoma, zboża, rośliny zielone, torfy,węgiel kamienny, węgiel brunatny,tłuszcze zwierzęce, tłuszcze rośli n ne , rośliny oleiste ,nasiona,odpady rośl inne, odchody zwierzęce (obornik), masa celulozowa. Do materiałów ulegają­ cy ch samozapaleniu chemicznem u można zal iczyć substancje chemiczne i ich mieszaniny wchodzące w reakcje np.zpowietrzemlubwodą, podczas których wydzielają się duże il ości ciepła powodujące natych-miastowe powstaniepłomienia.

Samozapalenie energetyczne (dynamiczne) to bardzo szybki proces, o gwałtownym wzroście tem -peratury, zachodzący w krótkim czasie liczonym w sekundach , godzinach, nie dłuższym niż kilka dni. Samozapa leniepostępujące(pow olne) charakteryzuje się długotrwałym powstawaniem, twającym od kilku dnido nawetkilkumiesi ęcy.

Zbadanie mechaniz mu powstawania samoza-palenia jest procesem złożonym, wym agającym obserwacji i wykonania wielu specjalistyc znych, dłu­ goterminowych badań , które nie zawsze pokrywają się zwynikami uzyskanymi w terenie, czyli w warun -kach naturalnego przechowywan ia. Aby zobrazować mechanizm powstawania procesu samozapalen ia biochemicznego nal eży wiedzieć, że w roślinach za

-chodządwa procesy:

1.Pobieranie dwutle nku węgla z powietrza oraz wody iwydzielanietlenu.Proces ten nosinazwę asymilacj i lub fotosyntezy. Do procesu fotosyn-tezy potrzebn ejestświatło.

2. Pobieranietlenu i wydzielanie dwutlenk uwęgla. Proces ten przeb iega w dzień i w nocy. Nosi nazwęoddychania.

Wrośl i nachnawetpo ichścięciu ,złaman iuczyskrę­ ceniu procesy te nie ustają, lecz przebiegają jeszcze przezpewienczas ,ażdocałkowitegoich wysuszenia. Z roślinam i współżyją bardzo liczn e gatunki dro b-no ustrojów: bakterie,grzyby,glony, pierwotniaki,pro -mieniowce. Mikroorganizmy pochodzą z gleby,wody i powietrza,mają istot ne znaczenie dlaprocesów b io-chemicznych.Najczęściej występująbakteriez rod za-ju: Aerobaeter, Alcaligenes, C/ostridium, Escherichia, Pseudomonas,Streptococcus,Urococcus,Urobaci/lus,

one doprowadzają do wytwarzania się dużej ilości

energii cieplnej.W pierwszejfazie proces oddychania jest najbardziej intensywny, przebiega w temperatu-rze 20-35°C . W tym czasie najbardziej aktywne są

bakterie z rodzaju mezofilnych. Stopniowo wzrasta temperatura, następuje odparowywanie wody. Takie warunki sprzyjają szybkiemu rozwojowi mikroorga ni-zmów i rozkładowi substancjizłożonych na prostsze. Zmniejszasię ilośćtlenu.

Woda (wi l goć), temperatura iduża ilość mikroorga-nizmówdają początekprocesowignilnemui fe rmenta-cyjnemu. Zmniejszasię znacząco il ość tlenu.

Faza druga

W fazie drugiej zaczyna się proces beztlenowego

rozkładu węglowodanóworazbeztlenowego rozkładu

enzymatycznego białek i aminokwasów. Ze względu

naduży opór cieplny,dobrą izol acyj ność materiału ro -ślinnego i małe straty ciepła temperatura podnosi się

do 60-90°C. Następuje punktowa kumulacja ciepła.

Rośliny tracą wilgoć i następuje rozkład pektyn i wy -dzielaniesię kwasu mrówkowego (HCOOH), amonia -ku (NH₃) i kwasu octowego (NH

3COOH). Wyczuwalny

jest wtedy ostry iprzenikliwyzapach.

Ryc. 1.Masaroślinnaw faziebeztlenowegorozkładu węglowodanówibeztlenowegorozkładuenzymatycznego

białeki aminokwasów.

Samonagrzewaniew temperaturze 40-90°Cwystę­

puje w:nawozie(oborniku),sianie, słomie, wilgotnym

zbożu.

Drobnoustroje (mikroorganizmy) rozwijająw tempe -raturach wynoszących jużod kilku stopni powyżejzera dookoło90°C.

W temperaturze 90-1 OO°Cnastępujedalszyrozkład białka na substancje prostsze. Wydzielasię siarkowo-dór i furfurol. Rośliny wysychająiulegajązbrylaniu.

Wzrasta intensywność reakcji chemicznych,maleje

aktywność drobnoustrojów, ponieważ pod wpływem

wysokiej temperatury ok. 100°C prawie wszystkie

giną. Powyżej 100-11 O°C następuje całkowite odpa-rowanie wody z masyroślinnej. Nadal wzrasta tempe -ratura,powyżej 150°Crośliny kamienieją.Ten moment

można uznać za początek procesu suchej destylacji masy roślinnej. Sucha destylacja to proces rozkładu

46

/

Ryc. 2. Zbrylone siano.

zdrewniałych roślin lub drewna pod wpływem tempe-ratury z ograniczonym dostępem powietrza lub jego

całkowitym brakiem. W czasie suchej destylacji do-chodzi do uwolnienia szeregu substancjii gazów, które

podlegają różnym - złożonym i prostym - reakcjom

działającym na siebie wzajemnie,co prowadzido wy -tworzenia się gazów o różnym składzie chemicznym. Są to procesy (reakcje) odwracalne i nieodwracalne. Końcowy efekt jest zależny od rodzaju składowanej

materii i składu powstałych gazów. Czynniki mające wpływna powstaniegazówto temperatura,przy któ rej następuj e ich rozkład chemiczny, oraz panujące we -wnątrzsterty (składowanych materiałów) ciśn ien ie .

Na skutek różn ej wilgotności składowanej masy

rośli n n ej, tj. jej różnej wi lgotności w poszczególnych miejscachskładowiska,zachodzijed n ocześn ie susze-nieirozkład. Działan iewysokiejtemperatury namasę roślinną jestzależne odgrubości i wielkości poszcze-gólnych roślin. Ze względu na duże masy składowa­

nych roślin (najczęściej na całą wysokość budynków magazynowych) oraz złeprzewodnictwo cieplne(duży

opór cieplny masy roślinnej), ciepło kumuluje się i nie ulega rozproszeniu. Ciepło kumuluje się we wnętrzu

masy składowanych roślin, co powoduje miejscowy dalszy wzrost temperatury. Powyżej 180°C rozkład

przebiegaszybciej iintensywniej.Prawie całkowitemu rozkładowi ulega hemiceluloza- jeden zeskładników ściany komórkowej roślin, wchodzi w skład m.in. drewna, słomy, nasion i otrąb. Czas trwania procesu termicznego jest uzależniony od ilości wilgoc iwskła­

dowanej masieroślinnej.

W trakcie dalszegorozkładuchemicznego powstają liczne związki chemiczne, np. węglowodory, fenole, alkohole , aldehydy, ketony, zasady, fenole, kwasy, węgiel.

Powstaje związek węglaoskładzie chemicznym: C-90,2% ,H-3,1%,0-6,7%

Ma ontemperaturę zapłonu 170-21 O°C.

Masa roślinna zmienia wygląd na kolor brunatny i czarny. W wyniku zachodzących przemian fizyko-chemicznych powstają związki o różnym składzie

i charakterze, m.in. metan, dwutlenek węgla, tlenek

węgla, etylen, acetylen. Przykład pobrania gazów z masy gnilnej (celulozy) i badanie składu gazów na chromatografie gazowym przedstawia tabela 1.

Z PRAKTYKI

Tablica 1Stężeniagazów zawarte w analizowanychpróbkach powietrza

:.i ctl oC _ctl Cl _~al -e CI _Cl CD' ... j ctl l: l: _~ o l: 0. _ _ ",l: l: <D..9! '" Q) CD' c:

...

"Co ctl"C l: <Dl: "'ctl _O~ ",l:

-

"'~ -o EO o

::I:ctl ::I:..9! ::I:a. ::I: >. ::I: >. ",o "'ctl

ctl .- Q) Q) _O..9! O Q) ::I:- "'''C ::I:~>'

~

_...

"'-

"'>. "'o '" a. ",- U~ Z N _::I:O

lij~:.: UW U- U ... U o U Q) I- et U l: UQ) co (I)

o ... ctl~ w _c.

...

o Q) Q) _:JE

_3:

U_~ L.p. _~ oCNJ: C. et l: ;; CIal o ... o al j CD' ._

...

a.Qj >. ;; ~

3:

l: Z _{Q)'- l: C} o ~ ctl (l)0"C 'Qi" a. % % %

:§

ppm ppm ppm ppm ppm ppm % ppm ppm

Data wykonania analizy: 2012.10.12 (wtorek). Rejon pobraniapróbekpowiet rza: doświadczenie

Próbka nr 4

1 3-b (data pobrania: 0,61 0,03 0,05 0,36 0,001 2 0,26 1,30 53,96 44,48 0,6 1,051

2012.10.02)

ZakładAerologiiGórniczejGłównegoInstytutu GórnictwaLaboratoriumSamozapalności węgla. Nazwazlecenioda wcy : Toruń- DworakowskiAndrzej

Na tym etapie procesu we wnętrzu sterty panuje temperatura230-260°C. Kumulowane ciepłojest izo-lowane od czynnikówzewnętrznych.Niema praktycz-nieżadnego chłodzenia,a straty cieplnesąminimalne. Wysoka temperaturapowodujew stercie wzrostciśn ie­

nia par i gazów. W temperaturze250- 260°Cnastępuje

zapłonwydzielanych gazów oraz powstajetzw.węgiel

piroforyc zny. Ma on zdo l n ość dużego pochłanian i a

tlenu. Temperatu ra wzrasta iwęgiel zaczyna si ę ża­

rzyć . Żarzeni e powoduje wypalanie się tzw. kan ałów ogniowych(rękawów).

Najczęściej wypalenia kanałowe zlokalizowane

są w części czołowej, bocznej sterty lub górnej jej powierzchn i.

Po wypaleniu się kanału następuje zapalenie się płomieniem zewnętrznej powierzchni sterty. Po

zet kni ęciu się płomienia z powietrzem wzrasta jego

intensywność .

Na podstawiewieloletniegodoświad czen i a i obser-wacji można twierdzić , że w stogach, które zapaliły się w wynikuprocesu samozapalenia,dochodzitakże

w sposób gwałtowny dozapłonów chmury tlenku wę­ gla i metanu.

Na rycinach3-9pokazanesą przykłady samozapa-leń materiałówroślinnych:słomy, siana,ziół.

Ryc.3a. Widocznesą jęzo ryogniazwnętrzapryzmy.

Ryc. 3b. Wypalonykanałogniowy.

Ryc. Sa. Wypalony kanałogniowy. Ryc. Sb. Odkrytykanałogniowy.

Ryc. 6a. Wypalonykanałogniowy.

Ryc. 7. Wypalonykanałogniowy.

Ryc. 9a.Wypalony kanałogniowy.

48

Ryc. 6b. Wypalony kanałogniowy.

Ryc. 8. Wypalonykanałogniowy.

Ryc. 9b. Wypalony kanałogniowy.

Wnioski

Z pokazanych na rycinach 3-9 przykładów, a także prowadzonych statystyk wynika, że samozapalenia

materiałów roślinnych występują. Liczba pożarów powstałych na skutek samozapalenia składowa­

nych rośli n jest znacząca w porównaniu z pożarami powstałymi z innych przyczyn. Ze względu na brak zrozumienia tematyki samozapaleń przez osoby wy

-znaczonedo ustalaniaprzyczynzaistniałych pożarów

bardzoczęstosąone myloneiłączonezproblematyką kryminal istycz ną.

Opisanyogólnie proces powstawaniasamozapaleń i pokazane przykłady fotograficzne pozwolą na sku

-teczniejsze wykonywanie badań na pogorzeliskach

i ustalanie prawdziwego źródła powstania procesu spalania.

Jak można zabezpieczyć składowany materi ał ro

-ślinnyprzed samozapaleniem:

1.Odpowiednia budowa - ustawianie stogów (wysokość, nachylenie terenu, odprowadzenie wody deszczowej)

2.Odpowiednie składowanie pryzm w budynkach (wysokość, nacisk, ciśn ienie, wielkość pr

ze-strzenna)

3.Pomiarywilgotności 4.Pomiarytemperatury

5.Budowakanałów wentylacyjnych 6. Pomiarywewnątrzpryzmowe

Opisanewarunkisązasadniczymiczynnikamichro

-niącymi imającymi wpływna powstaniesamozapa le-niamateriału roślinnego.

Źródła rycin i tabel:

F{yciny1- 9:autor Tabela 1: autor

Z PRAKTYKI

Bibliografia

1.HołystB.: Kryminalistycznaproblematykapoża­ rów, Wydawnictwo Zakładu Kryminalistyki Ko

-medy Głównej Milicji Obywatelskiej, Warszawa

1962.

2.Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpa -dów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008.

3. Rosik-Dulewska Cz.: Podstawy gospodarki

odpadami, Wydawnictwo Naukowe PWN, War

-szawa2010.

4. Warndrasz

w.

,

Biegańska J.: Odpady ni

ebez-pieczne. Podstawy teoretyczne, Wydawnictwo